Квантовые миры и возникновение пространства-времени

Радиоактивное излучение – это фундаментально квантовый процесс. То, что мы привыкли характеризовать как случайное испускание частицы, на самом деле представляет собой гладкую эволюцию волновой функции атомного ядра в источнике излучения. Каждое ядро эволюционирует из чистого состояния «не распался» в суперпозицию состояний «не распался» + «распался», причем вторая составляющая со временем нарастает. Распад частиц кажется случайным, так как детектор не измеряет непосредственно волновую функцию, он лишь фиксирует распавшуюся или нераспавшуюся частицу, подобно тому, как вертикальный магнит Штерна – Герлаха фиксирует только верхний или только нижний спин.

Суть данного мысленного эксперимента – вывести квантовую суперпозицию с микроуровня на макроуровень и увеличить рассматриваемую ситуацию до явно макроскопической. Это происходит, как только щелкает детектор. Вся постановка с сонным газом и котом нужна для увеличения масштаба квантовой суперпозиции и повышения ее наглядности. Слово «запутанность», которое переводится на немецкий как Verschränkung (дословно «ограниченность»), впервые было использовано Шрёдингером в переписке с Эйнштейном именно при обсуждении данного опыта с котом.

Эксперимент Шрёдингера был сформулирован в контексте академического подхода к проблеме измерения, где с волновой функцией происходит коллапс в тот самый момент, когда ее наблюдают. Итак, предлагает он, представьте, что мы не открываем коробку и не смотрим, что происходит внутри, до тех пор пока волновая функция не эволюционирует до равной суперпозиции состояний «как минимум одно ядро распалось» и «ни одно ядро не распалось». В таком случае волновые функции детектора, газа и кота также эволюционируют в равную суперпозицию состояний «детектор щелкнул, газ выпущен, кот спит» и «детектор еще не щелкнул, газ по-прежнему в емкости, кот бодрствует». Но вы же не полагаете всерьез, спрашивает нас Шрёдингер, что внутри коробки – суперпозиция спящего и бодрствующего кота, которая сохранится до тех пор, пока мы не откроем ящик?

В определенном смысле Шрёдингер был прав. Принимая эвереттовскую трактовку квантовой динамики, мы признаем, что волновая функция гладко эволюционирует в равную суперпозицию двух возможностей, одна из которых – «кот спит», другая – «кот бодрствует». Однако, согласно декогеренции, кот также запутан с окружающей средой, состоящей из всех фотонов и молекул, находящихся внутри коробки. Фактическое ветвление на разные миры происходит практически сразу же после щелчка детектора. К тому моменту, как экспериментатор откроет коробку, уже будет две ветви волновой функции, в каждой из которых окажется всего один кот и один экспериментатор, а не суперпозиции котов и экспериментаторов.

Так снимается проблема, изначально беспокоившая Шрёдингера, но возникает другая. Почему когда мы открываем коробку, конкретные декогерированные квантовые состояния, которые мы видим, это либо «спящий кот», либо «бодрствующий кот»? Почему бы нам не увидеть некоторую суперпозицию того и другого? «Бодрствующий» и «спящий» вместе представляют собой всего один возможный базис для кошачьей системы, точно как «верхний спин» и «нижний спин» для электрона. Почему этот базис предпочтительнее любого другого?

С точки зрения физики для нас в данном случае важна материя – газ, молекулы, фотоны, – которая взаимодействует с рассматриваемой нами физической системой. Факт наличия или отсутствия взаимодействия конкретной частицы с котом зависит от того, где находится кот. Конкретный фотон вполне может быть поглощен бодрствующим котом, который крутится по всей коробке, но пролететь мимо кота, который свернулся и спит.

Иными словами, особенность базиса «спящий – бодрствующий» заключается в том, что отдельные состояния в рамках этого базиса описывают четкие пространственные конфигурации. А пространство – это сущность, в которой физические взаимодействия являются локальными. Частица может попасть в кота, если между ней и котом произойдет физический контакт. Две части кошачьей волновой функции, «спящий» и «бодрствующий», контактируют с разными частицами из окружающей среды и, следовательно, дают начало разным мирам.

В принципе, это и есть ответ на вопрос, почему мы видим именно те миры, которые видим. Предпочтительный базис составляют те состояния, которые описывают когерентные объекты в пространстве, потому что такие объекты последовательно взаимодействуют со своей окружающей средой. Эти состояния часто именуются устойчивыми, и именно в них стрелка макроскопического измерительного прибора указывает на конкретное значение, а не находится в суперпозиции. Именно в устойчивом базисе классические приближения имеют смысл, и поэтому базисы такого рода служат основой для эмерджентных миров. Декогеренция – это феномен, в конечном итоге связывающий строгую простоту эвереттовской квантовой механики с беспорядочными частностями наблюдаемого мира.

12 Мир вибраций Квантовая теория поля